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可调电抗器的新原理
发布日期: 2011-03-24 浏览次数: 3871
可调电抗器的新原理,通过对带气隙变压器的电压方程分析得知,当在变压器的二次侧采用有源的方式注入一个与一次侧电流频率相同、相位相反的电流时,随着注入电流的幅值的变化,变压器的主磁通会发生连续变化,从而实现了变压器的一次侧阻抗的连续无级可调。此新原理可用于故障电流限制,控制电力系统潮流,消弧线圈和TCSC(晶闸管控制串联电容器)等领域,在电力系统柔性输电装置中将有广阔的应用前景。实验结果证明此新原理的正确性。

 

1  引言
    为了提高电网的输电能力,调节电网电压,补偿无功,电力系统中需要采用一个具有可变阻抗的电抗器。现有的可调电抗器大致可以分为如下几种方案[1~3]:① 调节电抗器抽头;② 调节电抗器气隙;③ 直流助磁式;④ TCR(晶闸管控制电抗器)、TCSC中采用调节晶闸管触发角的方式。在这几种方案中,采用调节电抗器抽头方案成本很低,调节方便,但电感量无法连续调节;调节电抗器气隙方案电感量可以连续调节,结构也简单,但是需要较为精密的机械传动装置,响应慢,噪声也很大;而采用直流助磁式方案通过调节直流激磁电流的大小改变交流等值磁导从而实现电感连续可调,其响应速度快,但长期正常运行时,铁心处于磁饱和状态、损耗大、噪声大,谐波较大,而且要通过磁饱和使电抗器励磁阻抗变得很小是很难的;在TCR、TCSC方案中,由于采用晶闸管调触发角的方式改变电感量,因此必然产生谐波污染[4]。
    本文提出了一种基于磁通可控的可调电抗器的新原理,通过在带气隙变压器的二次侧采用有源的方式注入一个与一次侧电流频率相同、相位相反的电流,改变变压器的二次侧注入电流的大小便可实现变压器主磁通的连续可调,从而实现变压器一次侧阻抗的连续可调。与现有的可调电抗器相比,当变压器中带有气隙时,该基于磁通可控的可调电抗器没有饱和现象,不产生谐波并可以实现电抗值的无级可调。
2  磁通可控的可调电抗器原理
    如图1所示,设在一带气隙串联变压器铁心上一次侧绕组AX的匝数为W1,二次侧绕组ax的匝数为W2,则一次侧与二次侧的匝比k =W1/W2。若将此变压器的一次侧AX串联接在电网和一个负载之间,则在其一次侧便有电流i1流过。通过检测变压器一次侧电流i1,并采用一个电压型逆变器跟踪此电流从而产生一个电流i2,将i2反相位注入变压器的二次侧,则此变压器即为图1所示的双边励磁的串联变压器。此双边励磁的串联变压器的T形等效电路如图2所示(i2折算到变压器一次侧后为),其中:Z1=r1+jx1是一次侧AX线圈的漏阻抗;为变压器二次侧折算到一次侧的漏阻抗;Zm=rm+jxm为变压器励磁阻抗。

    当变压器空载运行时,铁心中建立了的空载磁势,由此空载磁势产生的主磁通ΦmN,该主磁通在变压器一次侧产生的感生电动势

其中 a为一实数,且0≤a≤1。

将式(4)代入式(2)得

    从式(5)可知,由AX端看进去,变压器呈现的阻抗为一可变量,其大小与a 满足一定比例关系。因此通过调节a 的大小,可改变变压器二次侧的磁势,从而改变了变压器铁心中的主磁通,变压器的一次侧也会呈现一无级可调阻抗。该原理可用于现行的很多FACTS(柔性输电系统)装置和消弧线圈中,例如:在UPFC(统一潮流控制器)[5]和TCSC(晶闸管控制串联电容器)[3]中,只须连续改变系统阻抗便可以控制线路潮流;在FCL(故障电流限制器)中,正常运行时令a =1,可调电抗器呈现很小的一次侧漏阻抗,对系统基本没有影响,当出现故障时,通过一定控制立即令a =0,该可调电抗器为励磁阻抗,从而将故障电流限制在一定范围内;这些都可以根据该基于磁通可控的可调电抗器新原理来实现。因本方案通过变压器的主磁通往下调且带有空气隙,因此该可调电抗器没有饱和现象,而且在实现阻抗连续可调时不产生任何谐波。
3  磁通可控变压器的两种特殊情况

    则变压器的等效电路为如图3所示电路。


    根据式(11)和(12)可得到变压器等效电路如图4。

    除了以上2种特殊情况,当0<a<1时,变压器的一次侧等效阻抗将在Zl和Zl+Zm之间变化。
4  实验电路结构及控制方式
    为了证明上述原理的正确性,本文设计了一套基于磁通可控的可调电抗器原理电路如图5,一串联变压器的一次侧AX串联接在电力系统和一阻性负载Rd之间,Us为电网的电压,Ls为电力系统的等效内阻。变压器的二次侧ax和一个电压型逆变器接在一起,此逆变器用于产生一个磁通补偿电流。Ud 为逆变器的直流侧电压,Ld 和 Cd用于抑制逆变器产生的高频纹波。检测电路和整个控制电路用于产生一个与变压器一次侧电流频率相同,相位相反的补偿电流。

    电压型PWM逆变器的电流控制方式一般有3种[6],本文选择了滞环电流控制这种目前应用最为广泛而且实现起来最简单的电流控制方法,它将补偿参考电流与逆变器的输出电流进行比较,当实际电流大于给定值,则通过改变逆变器中对应的开关器件的开关状态,使实际电流减小;反之,若实际电流小于给定值,则通过改变逆变器中对应的开关器件的开关状态,使实际电流增大。滞环电流控制对负载和系统参数变化具有强鲁棒性,其动态响应速度快。

5  实验结果及分析
    本文根据磁通可控的可调电抗器的原理电路图5设计了一套实验装置。其中,变压器的变比为1:1,励磁阻抗Zm为16.309W,一次侧漏阻抗Z1为0.088 W,负载Rd取为10.1 W。系统电压为150V,直流电压为240V,开关器件为SEMIKRON公司的NPT型 IGBT SKM300GB123D。通过调节注入变压器二次侧电流的大小,使a 在0到1之间变化,测量变压器一次侧的电压UAX和电流I1,则可计算出变压器一次侧的等效阻抗ZAX=UAX /I1,其结果如表1。

    从表1可以看出,通过测量计算出的变压器一次侧等效阻抗ZAX基本接近于Z1+(1-a) Zm,即证明了该磁通可控的可调电抗器的新原理的正确性。
    本文在测量电压和电流的同时还采用Hp5450A型数字示波器记录了部分典型实验波形。图6、图7和图8三种典型情况下分别为全补偿(a =1)、部分补偿(a =0.5)、不补偿(a =0)时变压器一次侧和二次侧稳态电流波形。

    为了观察二次侧注入电流变化时的动态过程,图9、图10、图11和图12记录了一组瞬态电流波形。图9为a 突然从1变到0时变压器一次侧电流波形,图10为a 突然从0变到1时变压器一次侧电流波形,图11为a 突然从0.5变到0时变压器一次侧电流波形,图12为a 突然从0.5变到0时变压器一次侧电流波形,从4个电流变化波形可知该磁通可控的可调电抗器具有极好的磁通平稳过渡的特性。此特性在FACTS装置中将有广阔的应用前景。

6  结论
    本文从变压器的电势关系分析详细地推导了基于磁通可控的可调电抗器的新原理,当在变压器的二次侧采用有源的方式注入一个与一次侧电流频率相同、相位相反的电流时,随着注入电流的幅值的变化,变压器的主磁通会发生连续变化,从而实现了变压器的一次侧阻抗的连续无级可调。
    基于磁通可控的可调电抗器虽然增加了一套逆变器装置,但是实验证明其容量并不大。而本方案将变压器的主磁通往下调同时变压器中带有气隙因此没有饱和现象,且不产生任何谐波。
    采用简单的滞环电流控制,便可实现对电流的控制,因此控制系统具有很好的动态响应性能。
    当变压器二次侧注入电流变化时,该磁通可控的可调电抗器具有磁通平稳过渡阻抗的特性,它可以实现电流的平稳过渡,没有任何冲击。此特性在电力系统FACTS装置中可以得到广泛的应用。

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